原亞琦, 孫 敏, 林 文, 曹碧蕓, 田 欣, 高志強(qiáng)**, 李廷亮

底墑和磷肥對旱地小麥籽粒灌漿特性及產(chǎn)量的影響*

原亞琦1, 孫 敏1, 林 文1, 曹碧蕓1, 田 欣1, 高志強(qiáng)1**, 李廷亮2

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 太谷 030801; 2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 太谷 030801)

為分析黃土高原旱地小麥灌漿過程與水分消耗的關(guān)系, 及其產(chǎn)量對底墑和磷肥的響應(yīng)情況,在山西省南部設(shè)3個播前0~100 cm土壤底墑水平W1(248 mm)、W2(233 mm)、W3(205 mm)和兩個施磷量P1(75 kg·hm-2)、P2(180 kg·hm-2), 調(diào)查不同處理下小麥總耗水、土壤水消耗、各生育階段耗水、產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、灌漿過程的變化。結(jié)果表明, 隨著底墑水平提高小麥返青—拔節(jié)和拔節(jié)—開花階段耗水、生育期總耗水、土壤水消耗及其占總耗水比例、產(chǎn)量、穗數(shù)、千粒重顯著增加, 且較W3, W1和W2產(chǎn)量分別顯著高14.89%和8.66%。隨磷肥增加播種—拔節(jié)耗水顯著減少, 而拔節(jié)—開花耗水、產(chǎn)量、千粒重顯著增加。底墑和磷肥互作對小麥總耗水、土壤水消耗、播種—返青階段耗水、拔節(jié)—成熟階段耗水、千粒重有顯著影響。通過小麥灌漿方程得, 快增期持續(xù)時間隨底墑的增加而增加、漸增期和快增期持續(xù)時間隨磷肥的增加而增加、緩增期籽粒增加量及持續(xù)時間變異系數(shù)達(dá)25%。通過小麥水(磷)肥方程得, 當(dāng)0~100 cm底墑為253 mm時獲得高產(chǎn), 且同底墑下產(chǎn)量隨磷肥增加而提高。可見, 旱地小麥拔節(jié)—開花階段耗水對底墑和磷肥敏感, 灌漿過程中的快增期持續(xù)時間對底墑和磷肥響應(yīng)較好, 緩增期變異對籽粒粒重影響較大。

旱地小麥; 底墑; 磷肥; 耗水; 灌漿特性; 產(chǎn)量

旱地小麥()在生育期內(nèi)不進(jìn)行灌溉, 其生長所需水分由播前底墑和降雨量提供[1-2]。底墑的豐欠在一定程度決定產(chǎn)量[3]。羅俊杰等[4]關(guān)于旱塬區(qū)底墑和生育期降雨的擬合研究表明, 小麥產(chǎn)量與播前底墑的擬合度高于和生育期降水?dāng)M合, 即生育期降雨對產(chǎn)量的效應(yīng)小于底墑效應(yīng), 底墑對產(chǎn)量的方差分析貢獻(xiàn)率達(dá)38.6%。李超[5]研究表明, 在黃土塬區(qū)旱地小麥播前底墑對產(chǎn)量具有決定性作用, 產(chǎn)量隨底墑線性增加, 在夏閑期獲得足夠底墑前提下, 產(chǎn)量可達(dá)到充分供水情況下能夠取得產(chǎn)量的88%~90%。以肥調(diào)水, 以水促肥[6], 水分的研究往往伴隨著肥料, 而研究小麥底墑與氮肥的研究較多[6-8], 底墑和磷肥的研究較少。張魏斌等[9]研究表明, 磷肥能提高小麥越冬期—孕穗期0~1 m土層土壤蓄水量, 返青期土壤蓄水量增幅最大; 王昕等[10]研究表明, 干旱條件下, 磷肥能夠提高植物的水分利用率和植物的耐旱性。

籽粒干物質(zhì)的質(zhì)量主要決定于灌漿過程中的灌漿持續(xù)時間和灌漿速率[11], 小麥灌漿過程因品種、栽培措施等不同存在差異[12-14]。通過方程擬合進(jìn)行分析灌漿過程能夠準(zhǔn)確得出灌漿持續(xù)時間和灌漿速率, 這種方法已經(jīng)成為研究籽粒灌漿的常規(guī)方法[14-16]。而關(guān)于小麥灌漿過程研究也已經(jīng)成熟, 王書吉等[15]研究表明, 同生育期供水正常相比, 虧水處理的灌漿持續(xù)時間縮短2.72%~15.78%, 達(dá)到最大灌漿速度的時間提前2.33%~14.58%; 趙玉霞等[16]和趙德明等[17]研究表明, 氮硫肥和氮磷肥的配施能提高穗數(shù)、延長有效灌漿時間、提高灌漿速率, 增加產(chǎn)量; 陳夢楠等[18]研究表明, 施磷量能提高成熟期穗數(shù), 增加花后0~10 d、15~25 d籽粒灌漿速率, 提高產(chǎn)量。上述小麥灌漿過程研究中, 干旱脅迫采用的是控制灌溉量, 并非是天然的脅迫條件, 對于旱地小麥生產(chǎn)的實(shí)際意義較小; 肥料試驗(yàn)僅是種類, 沒有涉及水肥耦合。所以, 在天然干旱脅迫條件下, 小麥灌漿過程, 水肥耦合研究鮮見報道。由此, 本研究以不同播前底墑條件下, 設(shè)置兩個施磷量, 以小麥階段耗水量為媒介, 探究籽粒灌漿過程對底墑和磷肥的響應(yīng)情況, 找出山西省南部旱地小麥播前底墑的合適施磷量, 既保證小麥灌漿過程, 又降低土地的肥料成本投入, 為旱地小麥穩(wěn)產(chǎn)高效提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在山西省聞喜試驗(yàn)基地進(jìn)行, 地屬溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū), 年日照2 179 h, 平均氣溫13.7 ℃, 霜凍期為10月下旬至翌年4月上旬, 無霜期207 d。試驗(yàn)地是一年1熟旱作農(nóng)區(qū), 7—9月為休閑期, 且其土壤類型為褐土, 2014年10月1日用土鉆取播前0~20 cm土壤樣品、風(fēng)干, 并于2014年10月4日在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測定。其肥力為: 有機(jī)質(zhì)10.55 g·kg-1、堿解氮37.65 mg·kg-1、速效磷17.64 mg·kg-1。小麥休閑期、各生育期降雨量見圖1。

圖1 聞喜縣試驗(yàn)點(diǎn)小麥休閑期及不同生育時期降雨量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

供試小麥品種為‘運(yùn)旱20410’, 采用二因素裂區(qū)設(shè)計, 主區(qū)為播前1 m蓄水量(底墑), 設(shè)3個處理: W1(248.81 mm)、W2(233.19 mm)、W3(205.72 mm)。底墑通過休閑期土壤表面滲水地膜面積占小區(qū)土壤面積的比例進(jìn)行控制, 即土壤水蒸發(fā)量差異形成不同的底墑。2014年7月15日進(jìn)行滲水地膜全覆蓋(滲水地膜覆蓋小區(qū)100%的面積, W1)、半覆蓋(滲水地膜覆蓋小區(qū)50%的面積, W2)和不覆蓋(W3), 形成不同底墑處理, 2014年8月25日回收地膜并平整地塊。副區(qū)為兩個施磷量: P1(75 kg·hm-2)、P2(180 kg·hm-2), 施用磷肥為過磷酸鈣, 折算成P2O5, 2014年10月1日播種時施入。播種時所有處理基施180 kg?hm-2N和150 kg·hm-2K2O(氮、鉀肥分別為尿素和氯化鉀), 機(jī)械條播, 行距20 cm, 小區(qū)面積為150 m2(50 m×3 m), 重復(fù)3次, 2015年6月10日收獲[19]。

1.3 測定項(xiàng)目及計算方法

1.3.1 土壤水分的測定

用土鉆分別于播種期(2014年10月1日)、返青期(2015年3月15日)、拔節(jié)期(2015年4月3日)、開花期(2015年4月28日)、成熟期(2015年6月10日)采集1 m深土壤樣品, 每個小區(qū)取3個點(diǎn)。其中每20 cm為1個土層, 樣品采集后立即裝入鋁盒, 采用烘干法測定土壤質(zhì)量含水量, 土壤剖面環(huán)刀法測定其容重(2014年9月30日)[19]。土壤蓄水量公式:

SW0.1′′′(1)

式中: SW為蓄水量(mm),為土壤質(zhì)量含水量(%),為土壤容重(g·cm-3),為土壤厚度(cm)。

1.3.2 籽粒干物質(zhì)測定

花后每隔5 d取樣一次, 每個小區(qū)取20穗, 當(dāng)天分離籽粒, (105±5) ℃殺青30 min, 80 ℃烘至恒重[15]。取樣時間分別是2015年5月3日、2015年5月8日、2015年5月13日、2015年5月18日、2015年5月23日、2015年5月28日、2015年6月2日。

1.3.3 成熟期考種及產(chǎn)量測定

成熟期(2015年6月10日)調(diào)查單位面積穗數(shù)、每穗平均粒數(shù)及千粒質(zhì)量, 每個小區(qū)取50株測定生物產(chǎn)量; 收割20 m2, 計算經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

1.3.4 灌漿擬合及特征參數(shù)的計算

灌漿擬合選擇Logistic曲線:

/(1ea-rt) (2)

式中:為最大生長量上限, a、r為常數(shù), e為自然對數(shù)底,為時間[15]。參考殷祚云[20]的四點(diǎn)法求得值, 最小二乘法求得值。參考王書吉等[15]將Logistic方程求一階導(dǎo)數(shù)得到最大灌漿速率(max)及其出現(xiàn)時間(max), 求二階導(dǎo)數(shù)得到漸增期(1)、快增期(2)、緩增期(3)持續(xù)時間, 通過反演得到對應(yīng)階段的籽粒增加質(zhì)量1、2、3, 以及對于階段的平均灌漿速率1、2和3。

1.3.5 粒重的水(磷)肥效應(yīng)擬合

多項(xiàng)式回歸的優(yōu)點(diǎn)是更逼近變量的實(shí)際值, 缺點(diǎn)是可能存在與因變量無關(guān)的自變量組合(項(xiàng)式)[21-22]。故首先計算自變量的多項(xiàng)式, 再使用逐步回歸剔除掉與因變量無關(guān)的自變量組合(項(xiàng)式)。本文以籽粒產(chǎn)量()為因變量, 底墑(1)和磷肥(2)為自變量, 分別計算自變量的二次多項(xiàng)式組合:12、22、12、1、2, 使用SPSS 22.0中逐步回歸分析剔除與產(chǎn)量相關(guān)程度低的自變量組合, 進(jìn)而得到與產(chǎn)量相關(guān)程度大的粒重水(磷)肥效應(yīng)方程。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Micsoft Execl 2013錄入數(shù)據(jù)和作圖, 統(tǒng)計分析和作圖分別采用SPSS 22.0和Maple 2018處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同底墑配施磷肥對小麥耗水的影響

2.1.1 小麥總耗水、土壤水和降雨量的耗水量及其比例

隨著底墑的增加, 小麥總耗水、土壤耗水量及其占總耗水比例逐漸增加, 降雨量占總耗水比例逐漸降低(表1)。W1底墑下, 隨磷肥的增加小麥總耗水、土壤耗水量及其占總耗水比例隨之降低, 降雨量占總耗水比例相反; W2、W3底墑下, 隨磷肥的增加小麥總耗水、土壤耗水量及其占總耗水比例隨之增加, 降雨量占總耗水比例相反。較W3, W1和W2小麥總耗水、土壤耗水量及其占總耗水比例分別高14.89%和8.66%、33.13%和19.26%、15.87%和9.77%。經(jīng)顯著性檢驗(yàn)得, 底墑、底墑與磷肥互作分別對總耗水、土壤耗水量影響均達(dá)到顯著水平, 底墑分別對土壤耗水量、降雨量的占總耗水比例影響達(dá)到顯著水平。

表1 底墑和磷肥對小麥總耗水、土壤水和降水量的耗水量及其比例的影響

W1、W2和W3分別表示播前底墑為248.81 mm、233.19 mm和205.72 mm; P1和P2分別表示施磷量75 kg(P2O5)·hm-2和180 kg(P2O5)·hm-2。不同小寫字母表示<0.05水平差異顯著, ns表示影響不顯著。W1, W2 and W3 represent soil moisture before sowing of 248.81 mm, 233.19 mm and 205.72 mm, respectively. P1 and P2 indicate phosphorus application of 75 kg(P2O5)·hm-2and 180 kg(P2O5)·hm-2, respectively. Different lowercase letters indicate significant differences at< 0.05. “ns” means no significant effect.

2.1.2 小麥階段耗水量

隨著底墑的增加, 播種—返青、開花—成熟的階段耗水量先上升后下降, 返青—拔節(jié)、拔節(jié)—開花的階段耗水量逐漸上升(表2)。相同底墑下, 播種—返青、返青—拔節(jié)階段耗水量隨著磷肥的增加而降低, 拔節(jié)—開花階段耗水量則相反。較W3, W1和W2小麥返青—拔節(jié)、拔節(jié)—開花的階段耗水量分別高9.06%和5.80%、21.70%和7.16%; 較P1, P2小麥播種—返青、返青—拔節(jié)階段耗水量分別降低約4.82%、2.41%, P2拔節(jié)—開花階段耗水量升高約3.67%。經(jīng)顯著性檢驗(yàn)得, 底墑、磷肥、底墑與磷肥互作分別對播種—返青、返青—拔節(jié)、拔節(jié)—開花、開花—成熟的階段耗水量影響均達(dá)到顯著水平, 底墑與磷肥互作對返青—拔節(jié)階段耗水量影響不顯著。

2.2 不同底墑配施磷肥對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

2.2.1 對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

隨著底墑的增加, 小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素(穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重)逐漸上升(表3)。相同底墑下, 小麥產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)隨著磷肥的增加而增加。較W3, W1和W2小麥產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別高37.58%和30.77%、14.26%和9.58%、11.10%和8.87%、15.81%和15.81%; 較P1, P2小麥千粒重高約2.18%。經(jīng)顯著性檢驗(yàn)得, 底墑、磷肥分別對小麥產(chǎn)量、穗數(shù)、千粒重影響均達(dá)到顯著水平(磷肥對穗數(shù)影響不顯著)、底墑與磷肥互作對小麥千粒重影響達(dá)到顯著水平。

表2 底墑和磷肥對小麥不同生育階段耗水量的影響

W1、W2和W3分別表示播前底墑為248.81 mm、233.19 mm和205.72 mm; P1和P2分別表示施磷量75 kg(P2O5)·hm-2和180 kg(P2O5)·hm-2。不同小寫字母表示<0.05水平差異顯著, ns表示影響不顯著。W1, W2 and W3 represent soil moisture before sowing of 248.81 mm, 233.19 mm and 205.72 mm, respectively. P1 and P2 indicate phosphorus application of 75 kg(P2O5)·hm-2and 180 kg(P2O5)·hm-2, respectively. Different lowercase letters indicate significant differences at< 0.05. “ns” means no significant effect.

表3 底墑和磷肥對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

W1、W2和W3分別表示播前底墑為248.81 mm、233.19 mm和205.72 mm; P1和P2分別表示施磷量75 kg(P2O5)·hm-2和180 kg(P2O5)·hm-2。不同小寫字母表示<0.05水平差異顯著, ns表示影響不顯著。W1, W2 and W3 represent soil moisture before sowing of 248.81 mm, 233.19 mm and 205.72 mm, respectively. P1 and P2 indicate phosphorus application of 75 kg(P2O5)·hm-2and 180 kg(P2O5)·hm-2, respectively. Different lowercase letters indicate significant differences at< 0.05. “ns” means no significant effect.

2.2.2 產(chǎn)量與其構(gòu)成因素間的關(guān)系

將產(chǎn)量與其三要素進(jìn)行線性擬合, 得出的方程為=5.391+214.992+77.193-7 507.39(、1、2、3分別是產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重), 決定系數(shù)2達(dá)0.990 8(表4)。分析通徑系數(shù)看出, 對產(chǎn)量直接影響最大的穗粒數(shù), 系數(shù)達(dá)0.43; 間接影響在系數(shù)上1→2>1→3,2→1和2→3系數(shù)上相近(在0.27左右),3→2>3→1; 直接+間接的綜合影響則是穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重的貢獻(xiàn)相近?？梢? 產(chǎn)量三要素對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)相近。

表4 小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的擬合方程及通徑系數(shù)

、1、2、3分別為產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重。*表示<0.05。,1,2and3is yield, ear number, ear grain number, and 1000-grain weight, respectively. * indicates< 0.05.

2.3 不同底墑配施磷肥對小麥籽粒灌漿過程的影響

2.3.1 灌漿期籽粒干物質(zhì)變化

不同底墑配施磷肥下旱地小麥籽粒千粒質(zhì)量隨時間的遞增呈“S”型曲線(圖2), 不同處理間差異不明顯。灌漿過程的3個階段: 1)漸增期, 持續(xù)約15 d, 千粒質(zhì)量增加較為緩慢, 占成熟期籽粒質(zhì)量的25.78%~30.20%; 2)快增期, 持續(xù)約15 d, 千粒重增加質(zhì)量占成熟期籽粒質(zhì)量的54.52%~64.62%; 3)緩增期, 花后30 d至成熟期, 千粒重增加質(zhì)量占成熟期籽粒質(zhì)量的5.18%~19.70%?？梢? 對籽粒質(zhì)量占比最大的是快增期, 達(dá)54.52%~64.62%。

圖2 不同底墑和磷肥對小麥籽粒灌漿的影響

W1、W2和W3分別表示播前底墑為248.81 mm、233.19 mm和205.72 mm; P1和P2分別表示施磷量75 kg(P2O5)·hm-2和180 kg(P2O5)·hm-2。W1, W2 and W3 represent soil moisture before sowing of 248.81 mm, 233.19 mm and 205.72 mm, respectively. P1 and P2 indicate phosphorus application of 75 kg(P2O5)·hm-2and 180 kg(P2O5)·hm-2, respectively.

2.3.2 籽粒灌漿的Logistic方程參數(shù)

將不同處理籽粒灌漿過程進(jìn)行Logistic方程擬合, 擬合曲線均達(dá)顯著水平(<0.05), 可見, 方程較好地模擬了本試驗(yàn)的小麥籽粒灌漿過程(表5)。相同磷肥條件下, W1和W2處理的max、、1高于W3處理。相同底墑條件下,max、1、1、2、2、3參數(shù)是P2>P1,、3、3參數(shù)是P1>P2;max、2的W1、W2處理是P2P1, W2處理則相反。3、3變異系數(shù)(CV)均大于10%, 屬于中等變異, 而其他參數(shù)均小于10%, 屬于低等變異。

2.4 小麥籽粒干物質(zhì)對不同底墑和磷肥的響應(yīng)

2.4.1 籽粒灌漿與耗水的關(guān)系

小麥籽粒灌漿階段中的漸增期和快增期與各階段耗水的擬合方程決定系數(shù)均為0.994 1, 緩增期的決定系數(shù)為0.760 5(>0.05)(表6)。從漸增期和快增期的方程上看, 對籽粒增加質(zhì)量正向作用的是播種—返青耗水量(1)、拔節(jié)—開花耗水量(3), 反向作用是返青—拔節(jié)耗水量(2)、開花—成熟耗水量(4)。

漸增期與快增期的籽粒增加質(zhì)量對耗水的響應(yīng)一致(表7)。X′對Y的直接影響系數(shù)由大到小排序是: |2|>|1|>|3|>|4|;X′對Y的直接+間接的綜合影響系數(shù)由大到小排序是: |1|>|3|>|4|>|2|, 且前三者系數(shù)(|5.49|~|7.06|)遠(yuǎn)大于2(|1.15|), 其中￠1、￠2、￠3對灌漿階段籽粒增加質(zhì)量綜合影響系數(shù)為正,￠4則相反, 即隨播種—開花階段耗水量的增加而增加, 隨開花—成熟階段耗水量的增加而降低。

2.4.2 不同底墑和磷肥對籽粒產(chǎn)量的影響

以籽粒產(chǎn)量()為因變量, 底墑(1)和磷肥(2)為自變量進(jìn)行多項(xiàng)式逐步回歸進(jìn)行擬合, 得到方程(1)及函數(shù)圖像(圖3)。

表5 底墑和磷肥對小麥籽粒灌漿方程參數(shù)和特征參數(shù)的影響

2是方程擬合決定系數(shù);max是最大灌漿速率出現(xiàn)時間, d;max是最大灌漿速率, g?(1000 grains)-1?d-1;是灌漿持續(xù)時間, d;(-)是平均灌漿速率, g?(1000 grains)-1;1、2、3分別表示漸增期、快增期、緩增期的籽粒增加質(zhì)量, g;1、2、3是對應(yīng)階段的灌漿持續(xù)時間, d;1、2、3是對應(yīng)階段的灌漿速率, g?(1000 grains)-1。2is the equation fitting coefficient;maxis the maximum filling rate occurrence time, d;maxis the maximum filling rate, g?(1000 grains)-1;is the filling duration, d;(-) is the average filling rate, g?(1000 grains)-1;1,2and3is grain weight increment during the increasing, fast increasing, and slowing increasing periods of grain filling, respectively, g;1,2,3are the filling duration of the corresponding stages, d;1,2,3is the filling rate of the corresponding stages, g?(1000 grains)-1.

表6 小麥不同籽粒灌漿階段增加質(zhì)量與各生育時期耗水?dāng)M合方程

1、2、3分別表示漸增期、快增期、緩增期籽粒增加質(zhì)量,1234分別表示播種—返青、返青—拔節(jié)、拔節(jié)—開花、開花—成熟階段耗水量。*表示<0.05。123are the grain weight increment in the increasing, fast increasing, and slow increasing periods of grain filling, respectively.1,2,3,4are water consumption in the sowing-regreening, regreening-jointing, jointing-anthesis, anthesis-mature periods, respectively. * indicates< 0.05.

表7 小麥不同籽粒灌漿階段增加質(zhì)量與不同生育時期耗水量間的通徑系數(shù)

Y′表示灌漿漸增期或快增期籽粒增加質(zhì)量,1、2、3、4分別表示播種—返青、返青—拔節(jié)、拔節(jié)—開花、開花—成熟階段耗水量。*表示<0.05。Y′is the grain weight increment in the increasing or fast increasing period of grain filling.1,2,3,4are water consumption at sowing-regreening, regreening-jointing, jointing-anthesis, anthesis-mature of wheat, respectively. * indicates< 0.05.

=-35 678.48+319.761+2.602-0.632+

0.0112(2=0.996 7*) (3)

隨著底墑的增加, 籽粒產(chǎn)量先增加后降低; 相同底墑條件下, 隨著磷肥的增加, 籽粒產(chǎn)量呈線性遞增。故產(chǎn)量最大在底墑的最高點(diǎn)取得, 即1=253.78 mm處。將1=253.78帶回方程(3), 得到磷肥與產(chǎn)量函數(shù)(4):

P=4 895.51+5.137 82(4)

從方程(4)可以看出不施磷肥(′′2=0), 截距是P=0=4 895.51 kg·hm-2。

圖3 小麥籽粒產(chǎn)量對底墑和磷肥的響應(yīng)

3 討論

小麥籽粒產(chǎn)量三要素穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重間的協(xié)調(diào)與穩(wěn)定是保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)[23-24]。劉朝輝等[25]對黃淮南片28個小麥品種進(jìn)行兩年研究表明, 產(chǎn)量構(gòu)成因素中變異系數(shù)由大到小分別是: 千粒重>穗粒數(shù)>穗數(shù), 而與產(chǎn)量的相關(guān)程度是穗數(shù)>穗粒數(shù)>千粒重。產(chǎn)量的穩(wěn)定關(guān)鍵在于保證穗數(shù), 同時降低千粒重和穗粒數(shù)的變異性[25-26]。王勇[27]的研究表明, 對旱地小麥產(chǎn)量起主導(dǎo)作用的是底墑, 生育期降雨量更多的是對產(chǎn)量的補(bǔ)償效應(yīng)。王紅光等[28]研究表明, 降低小麥播種至冬前階段的耗水量, 提高開花至成熟階段的耗水量有利于提高產(chǎn)量和水分利用效率。趙明等[29]研究表明, 我國主糧的高產(chǎn)可持續(xù)需要定量分析作物生產(chǎn)系統(tǒng)氣候、土壤、作物三要素的協(xié)同關(guān)系, 構(gòu)建作物生產(chǎn)系統(tǒng)氣候—土壤—作物“三協(xié)同”定量優(yōu)化體系。本研究以山西省南部旱地小麥為試驗(yàn)對象, 研究了產(chǎn)量及階段耗水對底墑、磷肥的響應(yīng), 并定量分析灌漿階段粒重變化, 以及與階段耗水的關(guān)系, 為旱地小麥籽粒庫容的定量研究及調(diào)控提供一定的理論基礎(chǔ)。

3.1 不同底墑配施磷肥對麥田耗水的影響

底墑決定冬小麥生育期內(nèi)水分的利用程度[30], 冬小麥的總耗水量和土壤水消耗量均隨播前底墑的提高而增加[3]。本研究表明, 底墑對小麥返青—拔節(jié)、拔節(jié)—開花階段耗水、總耗水、土壤耗水量及其占總耗水比例有顯著影響, 其變化隨底墑的增加而提高, 這與前人的結(jié)論一致。磷肥對小麥播種—返青、返青—拔節(jié)、拔節(jié)—開花階段耗水有顯著影響, 其變化是播種—拔節(jié)階段隨磷肥的增加而減少, 而拔節(jié)—開花階段則相反, 這可能是磷肥增強(qiáng)了作物抗逆性, 從而提高拔節(jié)前植株組織和細(xì)胞的保水能力[30-31], 促進(jìn)拔節(jié)后根系對土壤吸水能力[31]。底墑和磷肥互作對總耗水、土壤水消耗量有顯著影響, 除返青—拔節(jié)外的其他生育階段耗水均有顯著影響, 說明互作通過土壤耗水的變化來影響總耗水, 對返青—拔節(jié)階段耗水無影響, 可能是水磷比例不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)[32]。

3.2 籽粒灌漿過程對底墑和磷肥的響應(yīng)及其與耗水的關(guān)系

孫花等[33]研究表明, 小麥籽粒灌漿過程呈慢-快-慢的生長規(guī)律, 漸增期灌漿速率、快增期灌漿速率和緩增期灌漿持續(xù)時間是影響河西地區(qū)春小麥籽粒質(zhì)量的主要參數(shù)。由海霞[34]研究表明, 灌漿持續(xù)時間是決定粒重的重要因子, 其次是平均灌漿速率。本研究表明, 籽粒增長量最多的階段是快增期, Logistic方程擬合得到, 相同磷肥下, 快增期持續(xù)時間、最大灌漿速率隨底墑增加而上升。相同底墑下, 漸增期和快增期的持續(xù)時間、最大灌漿速率隨磷肥的增加而增高; 緩增期增加質(zhì)量及持續(xù)時間的變異系數(shù)達(dá)25%, 屬于中等變異, 其他灌漿特征參數(shù)的變異系數(shù)均是低于10%, 屬于低等變異[35]。灌漿過程與階段耗水的通徑分析表明, 漸增期和快增期籽粒增加質(zhì)量隨播種—返青、返青—拔節(jié)、拔節(jié)—開花階段耗水量增加而增加, 隨開花—成熟階段耗水量增加而降低。這與前人研究結(jié)果不完全一致, 可能是由于土壤基礎(chǔ)性質(zhì)和外界環(huán)境差異造成的。且楊麗娟等[36]和張倩[37]研究表明, 施氮量增加能夠延長冬小麥緩增期持續(xù)時間, 說明小麥的灌漿過程對氮、磷肥的響應(yīng)不一樣, 也可能與小麥基因型有關(guān), 這還需要做進(jìn)一步研究。

3.3 產(chǎn)量對底墑和磷肥的響應(yīng)及其水(磷)肥方程

底墑制約作物營養(yǎng)器官累積的干物質(zhì)向收獲器官的轉(zhuǎn)移或比例[30], 增加底墑能夠提高小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素[38]。本研究表明, 底墑對小麥產(chǎn)量、穗數(shù)、千粒重有顯著影響, 其變化隨底墑增加而提高, 這與前人的研究結(jié)果部分一致, 其中底墑對穗粒數(shù)影響不顯著, 可能是小麥穗粒數(shù)主要受其基因型控制[25]。磷肥對小麥產(chǎn)量、千粒重有顯著影響, 其變化是隨著磷肥的增加而增加。這與孟曉瑜等[30]、許衛(wèi)霞[39]研究結(jié)果相似, 施磷顯著提高作物生物量、產(chǎn)量。進(jìn)一步分析產(chǎn)量與其三要素間的關(guān)系, 得到產(chǎn)量三要素對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)相近, 與現(xiàn)有研究結(jié)論存在差異。劉朝輝等[25]認(rèn)為: 與小麥產(chǎn)量相關(guān)程度: 穗數(shù)>穗粒數(shù)>千粒重, 而閆福春等[40]研究則是, 穗數(shù)>千粒重>穗粒數(shù)。這可能與土壤基礎(chǔ)性質(zhì), 以及旱地小麥天然干旱脅迫有關(guān)。底墑和磷肥互作僅對千粒重有顯著影響, 可能是千粒重對水分和磷肥較為敏感[8-10]。

籽粒產(chǎn)量與底墑、磷肥的水(磷)肥效方程擬合方程得, 產(chǎn)量隨底墑的增加先增高后降低, 峰值在底墑253.78 mm處取得。這與現(xiàn)有結(jié)論不一致, 產(chǎn)量隨底墑的增加而提高[3,30,33]。這可能是本研究的3個底墑處理均小于253.78 mm, 底墑高于253.78 mm下, 產(chǎn)量與底墑的規(guī)律還需要做進(jìn)一步研究, 以及該地區(qū)產(chǎn)量峰值對應(yīng)的底墑也需要多年的研究進(jìn)行驗(yàn)證。產(chǎn)量隨磷肥的增加而增加, 這與現(xiàn)有結(jié)論一致[30,32], 但磷肥的施入量還需結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行確定。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明, 底墑顯著影響旱地小麥總耗水、土壤水消耗量、返青—開花各階段耗水、產(chǎn)量、穗數(shù)、千粒重, 磷肥顯著影響其播種—開花各階段耗水量、產(chǎn)量、千粒重, 底墑和磷肥的互作顯著影響總耗水、土壤水消耗量、播種—返青和拔節(jié)—開花階段耗水、千粒重。提高底墑可以保證旱地小麥播種—返青、返青—拔節(jié)、拔節(jié)—開花階段耗水, 進(jìn)而增加小麥生育期總耗水、土壤耗水及其占總耗水的比例, 且增加籽?？煸銎诔掷m(xù)時間, 增加產(chǎn)量及其構(gòu)成因素。增施磷肥減少小麥播種—返青、返青—拔節(jié)階段耗水, 增加拔節(jié)—開花階段耗水, 增加漸增期和快增期持續(xù)時間, 產(chǎn)量及其穗數(shù)、千粒重增加; 緩增期灌漿過程是導(dǎo)致籽粒重量差異的主要原因, 其變異系數(shù)達(dá)25%。綜上所述, 對于旱地小麥而言, 增加底墑和磷肥有利于其返青—拔節(jié)階段水分的供應(yīng), 以及漸增期灌漿持續(xù)時間的延續(xù), 最終增加產(chǎn)量和千粒重。

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Effects of soil moisture before sowing and phosphate fertilizers on grain filling characteristics and yield of dryland wheat*

YUAN Yaqi1, SUN Min1, LIN Wen1, CAO Biyun1, TIAN Xin1, GAO Zhiqiang1**, LI Tingliang2

(1. College of Agronomy, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 2. School of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China)

The water needed for dryland wheat growth is provided by soil moisture and rainfall. To some extent, the wheat yield is determined by soil moisture before sowing. This study aimed to analyze the relationship between the grain filling process and water consumption in theLoess Plateau (China), and investigate the response of dryland wheat yield to soil moisture before sowing and phosphate fertilizer. A field experiment was conducted in the southern Shanxi Province of China. There were two factors in the experiment: 1) soil moisture before sowing in the 0–100 cm soil layer, including three levels at W1 (248 mm), W2 (233 mm), and W3 (205 mm); and 2) phosphorus fertilizer rates at P1 (75 kg·hm?2) and P2 (180 kg·hm?2). We first investigated the changes in total wheat water consumption, soil water consumption, water consumption during each growth stage, yield and yield components, and grouting process under different treatments. Collected data were analyzed using multiple regression with a Logistic fit. The results showed that soil moisture before sowing had a significant effect on water consumption during the greening-jointing and jointing-anthesis stages. The total water consumption during the growth period, the soil water consumption, and the proportion of total water consumption, yield, spike, and thousand-grain weights were also influenced significantly by soil moisture before sowing. Compared with W3, yields of W1 and W2 significantly increased by 14.89% and 8.66%, respectively. Phosphate fertilizer has a significant effect on yield, spike, thousand-grain weight and water consumption in the wheat sowing-greening, greening-jointing, and jointing-anthesis stages. With the increase of phosphorus fertilizer, sowing-jointing water consumption decreased and jointing-anthesis water consumption, yield, and thousand-grain weight increased. The wheat grouting equation showed that the duration of the fast increase period increased with increasing soil moisture before sowing, and the duration of the increasing period and the fast-increasing period both increased with increasing phosphate fertilizer rate. The coefficient of variation of grain increased by 25% during the slow-increasing period; the wheat water (phosphorus) fertilizer equation showed that high yield can be obtained at the 0-100 cm soil moisture boundary before sowing at 253 mm. Additionally, with the same soil moisture before sowing, the yield increased with increasing phosphorus fertilizer rate. The results show that the water consumption of dryland wheat in the jointing-anthesis stage was sensitive to soil moisture before sowing and phosphate fertilizer application. The duration of the fast-increasing period in the filling process had a better response to soil moisture before sowing and phosphate fertilizer, and the variation of the slow-increasing period impacted on grain weight.

Dryland wheat; Soil water before sowing; Phosphate fertilizer; Water consumption; Filling process character; Yield

S512.01

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31771727)、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目(2018YFD020040105)、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(CARS-03-01-24)、山西省回國留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目(2017-068)、作物生態(tài)與旱作栽培生理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(201705D111007)和小麥旱作栽培山西省重點(diǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(201605D131041)資助

高志強(qiáng), 主要從事小麥栽培高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)技術(shù)研究。E-mail: gaozhiqiang1964@126.com

原亞琦, 主要從事旱作栽培及生理生態(tài)研究。E-mail: 18834071238@163.com

2019-04-23

2019-11-05

* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31771727), the National Key Research and Development Program of China (2018YFD020040105), the Modern Agriculture Industry Technology System Construction of China (CARS-03-01-24), the Research Project of Shanxi Scholarship Council of China (2017-068), the Crop Ecology and Dry Cultivation Physiology Key Laboratory of Shanxi Province (201705D111007) and the Shanxi Science and Technology Innovation Team Project (201605D131041).

, E-mail: gaozhiqiang1964@126.com

Apr. 23, 2019;

Nov. 5, 2019

10.13930/j.cnki.cjea.190423

原亞琦, 孫敏, 林文, 曹碧蕓, 田欣, 高志強(qiáng), 李廷亮. 底墑和磷肥對旱地小麥籽粒灌漿特性及產(chǎn)量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2020, 28(1): 57-67

YUAN Y Q, SUN M, LIN W, CAO B Y, TIAN X, GAO Z Q, LI T L. Effects of soil moisture before sowing and phosphate fertilizers on grain filling characteristics and yield of dryland wheat[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 28(1): 57-67